陈光祖：让汽车产业爱上新兴的材料工程

（一）汽车产业的现代化建设，离不开众多高科技新兴材料工程的支撑，可以说当代汽车产业在推动的新一轮产业革命中，它正扮演着基础和先导的重要角色。近来国际汽车界曾流行着对新兴材料工程的一种形象说法：“一代新材料、一代新汽车。”

什么是新兴的材料工程呢？指的是已出现和应用或正在研发中，拥有比传统材料不具备的优导性和特殊功能的材料，但它又突破了传统材料的局限性，成为拓展汽车产业颠覆性创新驱动和巨大发展的推动力。这里要说明的是新兴材料工程有两大类型：一是在自然资源中新发现和应用的高水平新型材料；一是广泛应用多种高科技手段，经过合成或加工的新型材料，这往往是一种复合型材料，而后者的新兴材料正在迅速发展中，将是居主导地位。

新兴材料工程的特征是：在汽车产业新常态和互联网 形势推动下，供给侧结构性改革进展加快，推动新兴材料工程进入加快发展的新时期；重点应用于汽车轻量化上，当前的铝、镁合金应用仍占很大比例，而今后将逐步为超轻量化的新兴材料所替代；由于某发展领域的特定需求，促进了具特定需求特色显著新兴材料的出现，促使某领域的产品和经济得到突破性进展，这已显现创新迫切解决问题的一种好办法；应该是具有绿色、低碳、可循环利用，可回收的，无公害的材料性能；新兴材料工程结构应是多元化，多元素、多样化的以复合组成方式出现，所以它的跨界度很大，科技和信息融合度很高，以及基础性研究应用的程度也很突出；对汽车产业来说不仅大量的应用在传统汽车的改造升级上，对新能源汽车，尤其是电动汽车，自动驾驶汽车上应用，都提到重要议事日程；从当代需求看，生物材料工程将不断涌现和深透发展之中，这对发展智能化材料，提供良好的软硬化实力；当前正在对新兴材料工程的新型理论加强研究，除了常规理论外，还对新提出波函数、电子云、量子态、电离能等新理念进行研究，开拓新型材料的新视野和知识水平，加速新兴材料工程理论体系的形成和发展。

（二）当代新兴材料工程发展领域十分宽广，这里我们以探索和追踪的思路，对比较时尚、奇特、前沿、实用的新兴材料工程一些典型事例作些推荐。

有趣的液态金属：又叫金属玻璃，它是一种在低温熔炼时，即行固化的非晶态金属。如果说钢铁晶态固体的原子排列，好比阅兵队伍，十分整齐有序，而非晶态金属的固体原子排列，就好比北京王府井街道上熙熙攘攘的人群，处于杂乱无序状态。液态金属兼有金属和玻璃的双重性能，成为迄今为止十分强劲的一种材料，如一根4mm粗的液态金属棒，可以悬吊起了3吨物体，并能在强酸，强碱环境中无损完好运作，而它的硬度却像玻璃那样，十分坚硬具有相当好的耐磨性和耐用性。

当前，在国际上跨国汽车厂商已用液态金属用于制造高强度、抗耐磨、抗疲劳、抗腐蚀的汽车零件，特别是在改装车和房车上应用比较多，我们中科院物理研究所已和一些汽车厂商合作研究应用中。应当说液态金属在汽车产业中的应用前景十分广宽。

高档次的碳纤维复合材料：是指含碳量高于90%的无机高分子纤维，其中含碳量达99%的叫石墨纤维。这种类型材料强度比一般的钢还高、而弹性模量又很大、疲劳强度高、耐冲击性能好、化学性能稳定、耐水耐湿气好、摩擦系数小、耐高温。在汽车上可用于制造车身、壳体、还可用于制造齿轮、轴承、密封圈、容器等零部件。目前，高档次的碳纤维复合材料在世界上主要生产厂商在日本、如日本东丽、东邦和三菱成为该产品主要供应商。当前，美国、德国汽车公司和日本相关企业合作、研发和应用碳纤维复合材料制造车身和车身框架问题，这样车身的重量可能比铝合金车身还减轻1/2，而强度则比常用的钢材结实10倍。新型的车身从框架开始，制成后用各种形状的表面蒙皮，以高强度的粘接剂粘上，个别地方为加强附着力，加上一些铆钉，而不用焊接了，这种车身已在一些跨国汽车公司试验应用中。近年，由于大型航空客机，高铁车厢等需求，我们的碳纤维复合材料研发制造有了很大进步，这对推动今后汽车上的应用提供了良好机遇。

精细工业陶瓷：我们把陶瓷业分为两大类，有古老传统的陶瓷业和现代化精细工业陶瓷。

对传统的陶瓷业我们再熟识不过，几乎天天接触，离不开它。传统陶瓷是由天然的无机物烧结制作而成，如厨房用具，卫生间用品、房间摆设陶瓷工艺品等，已构成我们日常用品巨大市场体制，不过对传统陶瓷品也有不少需要创新驱动问题，我们十分期望，经过改进也能更多的用在工业和汽车上。

近来，随着科技和信息产业的迅速发展，现代化的精细工业陶瓷几乎成为高科技产业一种材料革命的代表，被称为人类“新石器时代”重新来临了，它在核工业、航空、航天、船舶、电力、电子、机械、汽车、医疗、海洋开发、新能源、环境事业上都得到广泛深入应用，也和传统的陶瓷业一样，几乎样样产品都离不开它，而且应用前景十分优良。

精细工业陶瓷的原料总的讲也是天然无机物构成，但要求要达到高纯度、高质量、高功能的应用，同时应用人工合成的无机物上也下了很大功夫，形成好的导热性、低热膨胀、高刚度、硬度、强度和好的电学性能。

这里说些汽车上应用精细工业陶瓷的例子。在活塞顶部、气门、增压器、转子、发动机排子管、气缸套内壁等都喷涂上精细工业陶瓷，很大的达到“节能减排”目的；在汽油电喷发动机和高压共轨柴油机的喷油器上，应用一种压电陶瓷来控制各种工况的喷油量，很好的降低了喷油的迟滞性，在直喷、增压、可变气门新型发动机上广泛得到应用；对汽、柴油发动机后处理器上各种排放物的处理器，如三元催化器的载体就是应用非常精细的陶瓷气孔物质造成的，随着排放标准提高，载体不是加大，而是用更精细的孔劲来处理和排污了。在传感器上也不少应用精细工业陶瓷，如难度较大的氧传感器上应用，能很好提高检测的灵敏度。在智能自适应的神经网络控制上，应用高精度压电陶瓷制成控制器,自适应实时性达到0.13微秒，比前一代的控制器几乎提高了2.5倍。当前汽车上精细工业陶瓷正在向更加高端化方向前进。

高分子材料也很惊人：近日在巴西奥运会上，不知道你是否看到游泳运动员穿的是又黑又长很遮体的泳衣，很难想像为什么要穿这样的泳衣而不是过去很狭小的三角裤呢？据了解这种泳衣又称为“鲨鱼皮泳衣”，它是模仿鲨鱼皮肤那种富弹性，在运动中减少摩擦，对肌肉凹凸度运动的水阻力可减到*低，可以引导周围水流的流向等优势，所以几乎所有游泳运动员都穿上了，包括泳帽。这种泳衣 是应用超伸展性高分子合成材料，由世界**的澳大利亚SPEEDO公司专门特制的，*早在2000年悉尼奥运会上用上，现在已经是第五代产品了，具有*轻、低阻、防水、防冷、无皱褶、无缝点的特种衣服。这就是高分子材料为某一特定需求，而创造出来的符合人体工程的好衣服。这只是一个插曲。

那么什么是高分子材料呢？它是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，如我们熟识的塑料、橡胶、纤维、涂料和高分子复合材料等，这在汽车上也应用很多。据说当前在一辆轿车上一般应用高分子材料可达到230公斤，今后还要不断的在增加，如前后保险杠、档泥板、后视镜、座椅、内外饰件，灯具、各种布料等等，应该说这些传统的零部件也在不断创新之中，有的可能达到像泳衣一样令人难以想像和惊人的地步。

当前对高性能塑料、合成橡胶、生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维、高质量涂料和黏合剂，都寻求在汽车领域深入应用中，如塑料燃油箱已广泛应用于乘用车上，这种高绝缘，耐高温、没有焊缝，可随意改变形状布置在底盘上，在万一撞击时也不易破裂，国内已大量生产供应。橡胶空气弹簧是一种柔性的橡胶囊中注入压缩空气或水介质，利用其可压缩性，实现非金属弹簧的应用，已较广泛应用在各种汽车上。当前玻璃主要是硅酸盐材料制成，在汽车上应用夹层膜玻璃，钢化玻璃，以适应汽车安全需要，但重量较大，智能化改造较难，以后将逐步为以聚甲丙烯酸的高分子透明材料所逐步替代，目前有些轿车的天窗已经采用这样有机物玻璃，这种玻璃不但透明度好，强度也不低，重量轻，更重要的是可以利用电化等性能，适应各种不同气候变化，实现智能化要求，而且万一发生事故不易伤人，这在飞机上早已应用了。现在汽车界人士说：“塑化汽车”年代到来了，这是对汽车应用高分子材料多么好的期待。

超级的光电材料与器件：当代超级的光电材料和元器件已成为国民经济发展一个焦点，具有重大的战略意义，当然也包括汽车产业在内。权威专家预测，当代汽车上的重大创新，90%与超级的光电材料和元器件有关系，如半导体，超导、电阻、绝缘，软磁、永磁、激光、测温、声学、电能、记忆，红外光等等超功能的材料，而且权威人士表示，未来光电“耦合”属性的光电升级版物体，有助于人类实现量子时代的到来。这样光电材料和元器件面太广宽，深度太大，我们只能从与汽车关系更为密切的半导体芯片来讲。

从汽车微电子时代发展经历来看与半导体的芯片有着很大关系，这大致可用五个阶段来探索：**阶段， 1947年半导体晶体管诞生，它体积比电子管大大减小，效能高、功耗低、重量轻，这样半导体晶体管在上世纪70年代相继应用于汽车上，如晶体管收音机，电子点火控制器，交流发电机控制器等，打开了汽车电子序幕，属于汽车电子初期应用年代。第二阶段约在80年代末，由于微控制器的发明和应用，通称单片机（MCU），这种**芯片可以将计算机的微处理器（CPU）中不少元器件功能集中到新型的芯片上，大大提升了汽车电子器件的应用效率和功能，如汽车发动机电子喷油系统控制、自动变速箱电子控制、汽车防抱死系统、汽车稳定性控制系统、汽车电控悬架等，一辆比较高档的轿车，就拥有约100个的MCU，汽车电子进入微型化应用时代。第三阶段，90年末，即单片机进入嵌入式应用年代，用时尚的话就是电子元器件进入个性化应用年代，使电子控制专业化功能更加深透，应用水平更高，集成度，系统化控制水准更深。嵌入式微处理器也叫SOC单片机，从过去的8位机为主，进入了16位，32位，个别64位高功能应用时代，所以也叫用户定义的集成电路（CSIC），就是说汽车需求什么样的功能芯片，你就供给什么样的芯片，要按客户对芯片个性化特色需求进行高功能芯片设计和供给，还有汽车进入网络时代，汽车在物联网指导下实行车联网，如何实现更好的人、车、路协同运行，SOC同样也发挥了很好的核心作用。汽车界人士认为，这是色彩斑斓的单片机世界来临了。第四阶段，即新世纪年代信息产业包括大数据、云计算、大科学、移动互联网众多新兴产业迅速惊人的发展，不少高科技产业实现突破性发展，基础性研发项目都不断投入社会领域应用，这样提供了对汽车产业芯片带来了新的要求，传统的硅质芯片发展也到了*限，于是可能出现金属、陶瓷、聚合和复合物一类新型纳米材料的芯片，狭义的汽车电子控制概念落伍了，要大力解放思路和措施，迎接汽车广义的电子控制的时代来临。第五阶段也可以说是未来光电芯片发展新阶段。量子型计算机的出现，即利用光电效应和量子纠缠效应协同进行的*速计算，于是促使光电超导芯片的诞生，计算机数据不再是分步进行，而是同步计算，其运算速度比因特尔奔腾4芯片快10亿秒次，相当于一枚信息火箭，在瞬间搜寻整个地球，以至宇宙间的互联网信息，而且安全可靠，促使知识、思维、联想、推理能解决*为复杂的科技计算问题，对汽车来说成了轻而易举的可解决自动化动作问题的难点，汽车可以飞行，可以下海都不存在问题，到底是什么样的汽车现在还不知道。